2018年6月JLT光通信论文评析
发布时间：2018-08-06 13:08:53 热度：1831
8/6/2018，光纤在线特邀编辑：邵宇丰 季幸平
2018年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。
光网络及其子系统
国防科技大学光电科学与工程学院的科研人员，基于半开腔方案设计了一种具有相对短腔的随机分布反馈拉曼光纤激光器。在1173nm波长条件下，科研人员测得输出功率为4W，并且工作效率大于90％。在1237nm波长处，当两个输出端功率分别为4.1和0.8 W时，可以获得二阶斯托克斯波。科研人员记录并分析了斯托克斯波的线宽，观察到泵浦功率的自振荡略高于二阶斯托克斯波的生成阈值，并且还提出了一种时空耦合数值模型。研究结果表明，数值模拟研究结果与实验测得数据一致吻合。
德克萨斯大学阿灵顿分校电气工程系的科研人员设计了一种外部腔激光器，该激光器通过将多线导模谐振（GMR）滤波器用作反射器来制备。科研人员采用严格的数值方法设计谐振元件，并通过薄膜沉积、图案设计和蚀刻来制作实验原型。在约170μm厚的玻璃板上，约100nm TiO2光栅层可以支持数千种谐振模式。以840nm波长为中心，在约10nm波长范围内可以检测出约10个窄共振峰。科研人员将这种多线GMR器件应用于增益芯片中，可以得到几个同时共振的增益激光线。精确调谐可以实现稳定的激光线，因此激光线可以从多个可用的谐振线中选择。
北京理工大学材料科学与工程学院和光电子系统重点实验室的科研人员设计了一种基于PbSe胶体量子点（CQD）和场效应晶体管（FET）配置的近红外光电探测器。科研人员将PbSeCdS掺入聚（3-己基噻吩-1,5-二基）（P3HT）作为活性层，将P3HT:PbSe纳米复合材料的光敏光谱扩展到近红外区域。在40mW/cm2的980nm激光照射条件下， VDS = -40V，VG = -40V，基于FET的光电探测器Au（栅极）和 Au（源极，漏极）的响应度和特定探测率可以分别达到500A/W和5.02×1012Jones。
华东师范大学精密光谱国家重点实验室的科研人员设计了一种在1550 nm波长处的光子计数啁啾调幅（CAM）激光雷达。科研人员发现，由于单光子探测器的非工作周期很长，因此CAM带宽都限制在30 MHz以下。在科研人员设计的CAM激光雷达中，InGaAs/InP雪崩光电二极管在1.5 GHz正弦波模式下工作，从而将非工作周期缩短至6.4ns。实验研究结果证明，在日光环境中，当调制周期为0.5ms时，CAM的带宽超过200MHz，直接距离的精度可以达到0.12m。这种新型雷达在CAM激光雷达系统中有较大的应用潜力和发展前景。
图1 1550nm波长处基于SPD激光测距系统的实验装置
无源和有源光子器件
英国肯特大学物理科学学院应用光学组的科研人员报道了一种工作在1550nm波长处的电子控制光学扫描源（它是在分散环腔中使用锁模方式工作的）。为实现有源锁模过程，科研人员直接将调制半导体光放大器（SOA）的电流作用增益介质。在静态分析中，科研人员测量了线宽、调谐带宽、对比度参数等（其中轴向范围是由动态分析确定的），并将色散补偿光纤和单模光纤用于激光环腔中。实验研究结果证明，上述两种类型光纤的相对长度对线宽影响很小，驱动SOA信号的频率也可以极大地限制对线宽（通过在静态范围内测量介于1nm到60μm范围内的线宽，同时在50到500MHz下驱动SOA）。科研人员通过实验获得了相对较窄的线宽，此时在腔中色散补偿光纤的比例是总长度的80％-90％。科研人员基于上述技术还开发了响应若干光学相干断层扫描应用需求的光源。
浙江大学信息科学与电子工程系和传感器材料与应用研究中心的科研人员，在硅片上实验制备了一种基于微环谐振器（MRR）的超高分辨率比率波长监测器（RMWM）。他们证明了理论波长分辨率与微环的函数波长范围和质量（Q）因子有关。科研人员还证明可以通过热调整MRR的共振间距来调整函数范围和分辨率，并发现分辨率也受到测量中引入的噪声参数影响。实验数据显示，在0.72nm函数范围内可以获得1.5μm的超高实验分辨率。考虑到固有的系统噪声，科研人员预期理论型超高分辨率可以达到约0.4 pm。
吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室的科研人员采用光刻和湿法蚀刻技术制备了一种对波长不敏感的二氧化硅/聚合物全内反射热光开关元件（当开关功率达到70mW时可以将串扰降至-20 dB以下）。在透射和反射状态下，0.47cm长的核心开关元件传播损耗分别为1.8和3.6dB。科研人员使用11个开关元件设计了一种无阻塞四端口光路由器（沿所有路径的传播损耗范围介于5.4到23.4 dB之间）。实验研究结果表明，上述元件在宽带信号切换方面具有潜在的应用前景。
土耳其阿塔图尔克大学电气与电子工程系的科研人员设计一种新型测量方法即利用波长偏移（Δλ0）和反射率差（ΔR）组合来测量和识别各类气体，如图2所示。基于对ΔR到Δλ0的测量数据，并且对于反射指数接近的四种不同气体蒸汽，科研人员通过法布里-珀罗干涉仪腔体的反射率分析验证了实际效果（其中腔体在745nm波长处附近可实现谐振）；同时科研人员通过实验验证，ΔR和Δλ0的组合测量比其本身单独测量具有更好的识别度。
图2 反射率测量配置装置示意图
东京国立信息通信技术研究所光网络实验室的科研人员设计并实验证明了一种新型数字自零差检测（DSHD）接收器，该接收器主要用于高阶调制格式信号的低阶相干探测。实验结果表明，该方法可以实现无需光学滤波和极化模式对准时检测4进制正交相移键控、16进制正交幅相调制（16QAM）、32QAM和64QAM信号（测量线宽介于630 kHz到5.7 MHz范围内）。科研人员阐述了三种工作状态下DSHD中的数字信号处理器结构（分别是背靠背传输后，在单跨光纤传输之后，以及进行多跨传输之后）。实验研究结果表明，对于16进制及更高进制的QAM调制格式，在克服光纤非线性影响方面DSHD优于其他传统检测信号方式。
光传输
国家光学传感及通信综合网络研究中心和东南大学电子科学与工程学院的科研人员设计了一种用于硅基槽隙波导的紧凑型偏振旋转器（PR）（铝（Al）金属条嵌入到上包层中）。科研人员利用金属条制备的非对称混合等离子体波导得到了45°的最佳光轴旋转角度，从而获得了高偏振转换效率（PCE）。数值研究结果表明，在PCE值和TM到TE转换的插入损耗值分别为97.6％和0.86 dB时，工作波长为1.55μm的PR长度为11.6μm。
伊利诺伊大学电子与计算机工程系的科研人员，通过数据测试验证了一个200微米长的晶体管激光器在15°C时的无误差工作过程。该器件的阈值电流为30 mA，在IB=85mA和VCE =1.5V条件下，3dB调制带宽为10.4GHz（该器件支持以22Gb/s的速率无误差发送27-1个伪随机数据）。科研人员分析了晶体管激光器输入阻抗对光调制幅度（OMA）的影响，并且证明了短腔（200μm）器件与信号发生器的50Ω阻抗能实现较好的匹配。
加拿大艾伯塔大学埃德蒙顿电气工程系的科研人员设计了一种简易稳定的新型方法可用于绝缘体上硅（SOI）芯片制造石墨烯波导，如图3所示。该波导由石墨层覆盖的硅芯组成，石墨烯的宽度与硅芯的宽度完全一致。科研人员通过测试拉曼光谱证明，石墨烯层在加工后仍然能保持高质量；通过硅波导上的透射测量过程证明，横向电（TE）模式的偏振相关传播损耗为0.03dB/μm，横向磁（TM）模式的偏振相关传播损耗为0.07dB /μm。
图3 石墨烯覆盖的硅波导SEM成像示意图
瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学纳米光子学实验室的科研人员验证了采用非归零（NRZ）码调制技术可实现无误码（BER<10-12）的传输链路（采用850 nm 垂直腔面激光器（VCSEL），其工作速率为71Gb/s，发射器的结构配置图如图4所示）。上述传输链路收发系统由130 nm具有2抽头前馈均衡的BiCMOS驱动器集成电路、带宽为850 nm的VCSEL、表面发光的的砷化镓（GaAs ）PIN 型光电二极管和130 nm的CMOS接收器集成电路组成。
图4发射器的结构配置图
光调制与光信号处理
伊朗德黑兰托西技术大学电气工程学院的科研人员，设计了一种新型的全光调制格式转换器以产生40Gb/s的连续相位频移键控（CPFSK）信号（采用基于不对称半导体光放大器的Mach-Zehnder干涉仪进行波长转换），如图5所示。科研人员使用光学鉴频解调器检测CPFSK信号。实验研究结果表明，与直接生成的CPFSK相比，上述CPFSK信号提供了更大的正、负残余色散容限。
图5 NRZ-OOK到CPFSK格式转换器示意图
光纤技术
澳大利亚悉尼新南威尔士大学机械与制造工程学院的科研人员分析了蚀刻单模聚合物光纤的重要性，并且实验论证了其在开发高灵敏度传感器中的巨大潜力。科研人员将基于聚甲基丙烯酸甲酯的单模聚合物光纤以不同的直径进行蚀刻，在实验中观察到蚀刻可以导致光纤材料性质的变化（例如杨氏模量和热膨胀系数的变化），这对于改善传感器的固有感测能力具有至关重要的作用。为了证明蚀刻聚合物光纤的改性材料特性可以增强其固有的感测能力，科研人员研究了蚀刻聚合物光纤布拉格光栅的感测特性（感测特性包括应变，温度和压力）。实验研究结果表明，与未蚀刻的聚合物光纤相比，基于蚀刻的聚合物光纤传感器具有较高的检测灵敏度，它在开发用于测量应变和温度的传感器方面具有很大的应用前景。
南京大学微结构光子技术实验室和德克萨斯大学奥斯汀分校电气工程系的科研人员设计了分布型八波长单片集成掩埋异质结构的反馈激光器阵列（该激光器阵列具有四分之一波长等效相，具有2mm×250μm的芯片尺寸，激光通道间距设计为800 GHz（在1.3μm处约为4.6 nm））。该激光器阵列在宽注入电流范围和不同的环境温度下，都具有精确的波长控制和稳定的单模激光操作优势。在65mA偏置电流下，该激光器的测量线宽为278 kHz。激光器阵列的发射波长可以在没有模式跳跃的条件下连续调谐超过38.3nm，该方法为波分复用系统提供了一种集成激光器阵列制备的新方法。
2018年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。
光网络及其子系统
国防科技大学光电科学与工程学院的科研人员，基于半开腔方案设计了一种具有相对短腔的随机分布反馈拉曼光纤激光器。在1173nm波长条件下，科研人员测得输出功率为4W，并且工作效率大于90％。在1237nm波长处，当两个输出端功率分别为4.1和0.8 W时，可以获得二阶斯托克斯波。科研人员记录并分析了斯托克斯波的线宽，观察到泵浦功率的自振荡略高于二阶斯托克斯波的生成阈值，并且还提出了一种时空耦合数值模型。研究结果表明，数值模拟研究结果与实验测得数据一致吻合。
德克萨斯大学阿灵顿分校电气工程系的科研人员设计了一种外部腔激光器，该激光器通过将多线导模谐振（GMR）滤波器用作反射器来制备。科研人员采用严格的数值方法设计谐振元件，并通过薄膜沉积、图案设计和蚀刻来制作实验原型。在约170μm厚的玻璃板上，约100nm TiO2光栅层可以支持数千种谐振模式。以840nm波长为中心，在约10nm波长范围内可以检测出约10个窄共振峰。科研人员将这种多线GMR器件应用于增益芯片中，可以得到几个同时共振的增益激光线。精确调谐可以实现稳定的激光线，因此激光线可以从多个可用的谐振线中选择。
北京理工大学材料科学与工程学院和光电子系统重点实验室的科研人员设计了一种基于PbSe胶体量子点（CQD）和场效应晶体管（FET）配置的近红外光电探测器。科研人员将PbSeCdS掺入聚（3-己基噻吩-1,5-二基）（P3HT）作为活性层，将P3HT:PbSe纳米复合材料的光敏光谱扩展到近红外区域。在40mW/cm2的980nm激光照射条件下， VDS = -40V，VG = -40V，基于FET的光电探测器Au（栅极）和 Au（源极，漏极）的响应度和特定探测率可以分别达到500A/W和5.02×1012Jones。
华东师范大学精密光谱国家重点实验室的科研人员设计了一种在1550 nm波长处的光子计数啁啾调幅（CAM）激光雷达。科研人员发现，由于单光子探测器的非工作周期很长，因此CAM带宽都限制在30 MHz以下。在科研人员设计的CAM激光雷达中，InGaAs/InP雪崩光电二极管在1.5 GHz正弦波模式下工作，从而将非工作周期缩短至6.4ns。实验研究结果证明，在日光环境中，当调制周期为0.5ms时，CAM的带宽超过200MHz，直接距离的精度可以达到0.12m。这种新型雷达在CAM激光雷达系统中有较大的应用潜力和发展前景。
图1 1550nm波长处基于SPD激光测距系统的实验装置
无源和有源光子器件
英国肯特大学物理科学学院应用光学组的科研人员报道了一种工作在1550nm波长处的电子控制光学扫描源（它是在分散环腔中使用锁模方式工作的）。为实现有源锁模过程，科研人员直接将调制半导体光放大器（SOA）的电流作用增益介质。在静态分析中，科研人员测量了线宽、调谐带宽、对比度参数等（其中轴向范围是由动态分析确定的），并将色散补偿光纤和单模光纤用于激光环腔中。实验研究结果证明，上述两种类型光纤的相对长度对线宽影响很小，驱动SOA信号的频率也可以极大地限制对线宽（通过在静态范围内测量介于1nm到60μm范围内的线宽，同时在50到500MHz下驱动SOA）。科研人员通过实验获得了相对较窄的线宽，此时在腔中色散补偿光纤的比例是总长度的80％-90％。科研人员基于上述技术还开发了响应若干光学相干断层扫描应用需求的光源。
浙江大学信息科学与电子工程系和传感器材料与应用研究中心的科研人员，在硅片上实验制备了一种基于微环谐振器（MRR）的超高分辨率比率波长监测器（RMWM）。他们证明了理论波长分辨率与微环的函数波长范围和质量（Q）因子有关。科研人员还证明可以通过热调整MRR的共振间距来调整函数范围和分辨率，并发现分辨率也受到测量中引入的噪声参数影响。实验数据显示，在0.72nm函数范围内可以获得1.5μm的超高实验分辨率。考虑到固有的系统噪声，科研人员预期理论型超高分辨率可以达到约0.4 pm。
吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室的科研人员采用光刻和湿法蚀刻技术制备了一种对波长不敏感的二氧化硅/聚合物全内反射热光开关元件（当开关功率达到70mW时可以将串扰降至-20 dB以下）。在透射和反射状态下，0.47cm长的核心开关元件传播损耗分别为1.8和3.6dB。科研人员使用11个开关元件设计了一种无阻塞四端口光路由器（沿所有路径的传播损耗范围介于5.4到23.4 dB之间）。实验研究结果表明，上述元件在宽带信号切换方面具有潜在的应用前景。
土耳其阿塔图尔克大学电气与电子工程系的科研人员设计一种新型测量方法即利用波长偏移（Δλ0）和反射率差（ΔR）组合来测量和识别各类气体，如图2所示。基于对ΔR到Δλ0的测量数据，并且对于反射指数接近的四种不同气体蒸汽，科研人员通过法布里-珀罗干涉仪腔体的反射率分析验证了实际效果（其中腔体在745nm波长处附近可实现谐振）；同时科研人员通过实验验证，ΔR和Δλ0的组合测量比其本身单独测量具有更好的识别度。
图2 反射率测量配置装置示意图
东京国立信息通信技术研究所光网络实验室的科研人员设计并实验证明了一种新型数字自零差检测（DSHD）接收器，该接收器主要用于高阶调制格式信号的低阶相干探测。实验结果表明，该方法可以实现无需光学滤波和极化模式对准时检测4进制正交相移键控、16进制正交幅相调制（16QAM）、32QAM和64QAM信号（测量线宽介于630 kHz到5.7 MHz范围内）。科研人员阐述了三种工作状态下DSHD中的数字信号处理器结构（分别是背靠背传输后，在单跨光纤传输之后，以及进行多跨传输之后）。实验研究结果表明，对于16进制及更高进制的QAM调制格式，在克服光纤非线性影响方面DSHD优于其他传统检测信号方式。
光传输
国家光学传感及通信综合网络研究中心和东南大学电子科学与工程学院的科研人员设计了一种用于硅基槽隙波导的紧凑型偏振旋转器（PR）（铝（Al）金属条嵌入到上包层中）。科研人员利用金属条制备的非对称混合等离子体波导得到了45°的最佳光轴旋转角度，从而获得了高偏振转换效率（PCE）。数值研究结果表明，在PCE值和TM到TE转换的插入损耗值分别为97.6％和0.86 dB时，工作波长为1.55μm的PR长度为11.6μm。
伊利诺伊大学电子与计算机工程系的科研人员，通过数据测试验证了一个200微米长的晶体管激光器在15°C时的无误差工作过程。该器件的阈值电流为30 mA，在IB=85mA和VCE =1.5V条件下，3dB调制带宽为10.4GHz（该器件支持以22Gb/s的速率无误差发送27-1个伪随机数据）。科研人员分析了晶体管激光器输入阻抗对光调制幅度（OMA）的影响，并且证明了短腔（200μm）器件与信号发生器的50Ω阻抗能实现较好的匹配。
加拿大艾伯塔大学埃德蒙顿电气工程系的科研人员设计了一种简易稳定的新型方法可用于绝缘体上硅（SOI）芯片制造石墨烯波导，如图3所示。该波导由石墨层覆盖的硅芯组成，石墨烯的宽度与硅芯的宽度完全一致。科研人员通过测试拉曼光谱证明，石墨烯层在加工后仍然能保持高质量；通过硅波导上的透射测量过程证明，横向电（TE）模式的偏振相关传播损耗为0.03dB/μm，横向磁（TM）模式的偏振相关传播损耗为0.07dB /μm。
图3 石墨烯覆盖的硅波导SEM成像示意图
瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学纳米光子学实验室的科研人员验证了采用非归零（NRZ）码调制技术可实现无误码（BER<10-12）的传输链路（采用850 nm 垂直腔面激光器（VCSEL），其工作速率为71Gb/s，发射器的结构配置图如图4所示）。上述传输链路收发系统由130 nm具有2抽头前馈均衡的BiCMOS驱动器集成电路、带宽为850 nm的VCSEL、表面发光的的砷化镓（GaAs ）PIN 型光电二极管和130 nm的CMOS接收器集成电路组成。
图4发射器的结构配置图
光调制与光信号处理
伊朗德黑兰托西技术大学电气工程学院的科研人员，设计了一种新型的全光调制格式转换器以产生40Gb/s的连续相位频移键控（CPFSK）信号（采用基于不对称半导体光放大器的Mach-Zehnder干涉仪进行波长转换），如图5所示。科研人员使用光学鉴频解调器检测CPFSK信号。实验研究结果表明，与直接生成的CPFSK相比，上述CPFSK信号提供了更大的正、负残余色散容限。
图5 NRZ-OOK到CPFSK格式转换器示意图
光纤技术
澳大利亚悉尼新南威尔士大学机械与制造工程学院的科研人员分析了蚀刻单模聚合物光纤的重要性，并且实验论证了其在开发高灵敏度传感器中的巨大潜力。科研人员将基于聚甲基丙烯酸甲酯的单模聚合物光纤以不同的直径进行蚀刻，在实验中观察到蚀刻可以导致光纤材料性质的变化（例如杨氏模量和热膨胀系数的变化），这对于改善传感器的固有感测能力具有至关重要的作用。为了证明蚀刻聚合物光纤的改性材料特性可以增强其固有的感测能力，科研人员研究了蚀刻聚合物光纤布拉格光栅的感测特性（感测特性包括应变，温度和压力）。实验研究结果表明，与未蚀刻的聚合物光纤相比，基于蚀刻的聚合物光纤传感器具有较高的检测灵敏度，它在开发用于测量应变和温度的传感器方面具有很大的应用前景。
南京大学微结构光子技术实验室和德克萨斯大学奥斯汀分校电气工程系的科研人员设计了分布型八波长单片集成掩埋异质结构的反馈激光器阵列（该激光器阵列具有四分之一波长等效相，具有2mm×250μm的芯片尺寸，激光通道间距设计为800 GHz（在1.3μm处约为4.6 nm））。该激光器阵列在宽注入电流范围和不同的环境温度下，都具有精确的波长控制和稳定的单模激光操作优势。在65mA偏置电流下，该激光器的测量线宽为278 kHz。激光器阵列的发射波长可以在没有模式跳跃的条件下连续调谐超过38.3nm，该方法为波分复用系统提供了一种集成激光器阵列制备的新方法。
